Un equipo internacional de astrónomos que utilizan el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) captaron la primera imagen completa de longitud de onda milimétrica del anillo de polvo que rodea a la joven estrella Fomalhaut. Esta banda muy bien definida de escombros y gases es probablemente el resultado de exocometas que chocaron unos a otros cerca de los bordes exteriores de un sistema planetario a 25 años luz de la Tierra.

Las primeras observaciones de ALMA de Fomalhaut -obtenidas en 2012 cuando el telescopio estaba todavía en construcción- revelaron aproximadamente solo la mitad del disco de escombros. Aunque esta primera imagen fue simplemente una prueba de las capacidades iniciales de ALMA, sin embargo, proporcionó pistas alentadoras sobre la naturaleza y posible origen del disco.

Las nuevas observaciones de ALMA ofrecen una vista increíblemente completa de esta banda brillante de escombros y también sugieren que hay semejanzas químicas entre sus contenidos helados y cometas en nuestro propio sistema solar.

«ALMA nos ha entregado esta imagen increíblemente clara de un disco de escombros completamente formado», dijo Meredith MacGregor, astrónoma del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica en Cambridge, Massachusetts, y autora principal de uno de los dos artículos aceptados para publicación en el Astrophysical Journal describiendo estas observaciones. «Finalmente podemos ver la forma bien definida del disco, que puede decirnos mucho sobre el sistema planetario subyacente responsable de su apariencia altamente distintiva».

Fomalhaut es un sistema de estrellas relativamente cercano y uno de cerca de 20 en el que los planetas han sido observados directamente. Todo el sistema tiene aproximadamente 440 millones de años de antigüedad, o aproximadamente una décima parte de la edad de nuestro sistema solar.

Tal como se aprecia en la nueva imagen de ALMA, a unos 20.000 millones de kilómetros de la estrella se formó una brillante franja de polvo helado de aproximadamente 2.000 millones de kilómetros de extensión.

Los discos de escombros son características comunes alrededor de las estrellas jóvenes y representan un período muy dinámico y caótico en la historia de un sistema solar. Los astrónomos creen que están formados por las continuas colisiones de cometas y otros planetesimales en los confines exteriores de un sistema planetario recientemente formado. Los escombros remanentes absorben la luz de la estrella central y reemiten esa energía en forma de un tenue brillo en longitudes de onda milimétricas que pueden ser observadas con ALMA.

Usando los nuevos datos de ALMA y detallado modelamiento computarizado, los investigadores pudieron calcular la localización exacta, el ancho, y la geometría del disco. Estos parámetros confirman que tal anillo estrecho es probable que se produzca a través de la influencia gravitacional de planetas en el sistema, señaló MacGregor.

Las nuevas observaciones de ALMA también son las primeras en mostrar claramente un brillo apocéntrico, un fenómeno predicho en 2016 en un artículo firmado por Margaret Pan, investigadora del Instituto de Tecnología de Massachusetts, de Cambridge, quien también es coautora de los nuevos artículos de ALMA. Al igual que cualquier objeto con órbita alargada, el material polvoriento del disco de Fomalhaut se desplaza más lentamente cuando se encuentra más lejos de la estrella. A medida que disminuye su velocidad, el polvo se acumula y forma densas concentraciones en las partes más distantes del disco. Estas densas áreas son detectadas por ALMA como emisiones milimétricas más brillantes.

Utilizando el mismo conjunto de datos de ALMA, pero centrándose en distintas señales de longitud de onda milimétricas emitidas naturalmente por moléculas en el espacio, los investigadores también detectaron vastas reservas de gas monóxido de carbono exactamente en la misma ubicación que el disco de escombros.

«Estos datos nos permitieron determinar que la abundancia relativa de monóxido de carbono más dióxido de carbono alrededor de Fomalhaut es aproximadamente la misma que se encuentra en los cometas en nuestro propio sistema solar», dijo Luca Matrà de la Universidad de Cambridge, Reino Unido y autor principal del segundo paper del equipo. «Esta similitud química permite establecer una analogía con las condiciones de formación de cometas entre los extremos exteriores de este sistema planetario y el nuestro». Matrà y sus colegas creen que este gas es liberado durante constantes colisiones de cometas, o bien es el resultado de un único y gran impacto de supercometas cientos de veces más masivos que el Hale-Bopp.

La presencia de este disco de escombros bien definido alrededor de Fomalhaut, sumada a su composición química particularmente familiar, podría ser un indicio de que este sistema está experimentando su propia versión del Último Bombardeo Intenso, un período ocurrido hace aproximadamente 4.000 millones de años, cuando la Tierra y otros planetas recibían frecuentes embestidas de asteroides y cometas que sobraron del proceso de formación del Sistema Solar.

“Hace veinte años, los mejores telescopios milimétricos produjeron los primeros mapas borrosos de los granos de polvo que orbitaban alrededor de Fomalhaut. Ahora, con ALMA funcionando a plena capacidad, se obtuvo una imagen del anillo entero”, comenta Paul Kalas, astrónomo de la Universidad de California (Berkeley) e investigador principal de una de estas observaciones. “Esperamos detectar un día los planetas que ejercen influencia sobre las órbitas de estos granos”.

Información adicional

Esta investigación se consigna en un artículo titulado “A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk” (‘Un mapa completo del disco de escombros de Fomalhaut producido por ALMA’), de M. MacGregor et al., y en “Detection of exocometary CO within the 440MYR-old Fomalhaut belt: A similar CO+CO2 ice abundance in exocomets and solar system comets” (‘Detección de CO exocometario en la franja de 440 millones de años de Fomalhaut: una abundancia de hielo de CO+CO2 similar en exocometas y cometas del Sistema Solar’), de L. Matrà et al., que se publicarán ambos en The Astrophysical Journal.

Esta investigación se financió con apoyo de la red de investigación Nexus for Exoplanet System Science (NExSS), patrocinada por Science Mission Directorate, de la NASA, así como las becas NNX15AC89G y NNX15AD95G de la NASA, la beca AST-1518332 de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), la beca de investigación de pregrado DGE1144152 de la NSF, y la beca Student Observing Support del Observatorio Radioastronómico Nacional de EE. UU. (NRAO). Este estudio también fue posible gracias a una beca de posgrado del Consejo de Instalaciones de Ciencias y Tecnología del Reino Unido (STFC) y a la beca n.º 279973 del Consejo Europeo de Investigación (CEI).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia de Taiwán (NSC), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

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